一、 项目名称：

多位置复杂焊缝智能焊接关键技术及成套装备的工程应用

二、 推荐单位意见

由湘潭大学自行研发的电弧传感焊缝智能跟踪相关技术，取得了多项发明专利，研究成果在湖南、山东、广东等地的多家企业进行了试验和应用，其关键技术“多位置复杂焊缝智能跟踪焊接和自动避障跳焊”的开发，将解决大型结构内部狭窄空间自动焊的难题。在此基础上研发多位置焊缝智能化焊接装备，对提高箱型梁的生产效率和产品质量十分重要，对研发箱型梁、工字梁、大型容器等类似的智能化焊接生产线有很好的示范和带动作用。

该项目采用多种自行研发的先进传感器及配套系统，设计了电弧传感焊缝跟踪系统、涡流传感定位系统、激光位移传感避障和定位系统。实现了大型复杂结构多位置焊缝焊接时焊枪初始点自动定位，狭窄空间短焊缝自动跟踪焊接和自动避障跳焊。大大降低了对工人操作技术的要求，提高焊接效率和焊接质量，经济效益和社会效益十分显著。

项目至目前，相关技术已获发明专利授权14项，累计实现销售额约51445万元，新增利润累计约10289万元。效率提高30%以上。

多位置复杂焊缝智能焊接关键技术及成套装备的工程应用是高校和企业产学研合作、服务地方经济的又一成功案例。

项目推荐材料有效，已进行公示，符合湖南省科学技术进步奖授奖条件。

提名该项目为湖南省技术发明奖 一 等奖。

三、 项目简介

一、项目背景

随着智能制造技术的迅猛发展，提高焊接过程自动化和智能化水平已经上升为国家战略的需要。多位置焊缝（包括横向、立向上、立向下焊缝）的焊接在自动焊接应用领域需求强烈。起重机行业将箱型梁的自动化焊接列入了2015年国家科技支撑计划，类似的多位置焊缝在造船、海洋工程和工程机械行业都非常普遍。本项目符合《湖南省贯彻〈中国制造2025〉建设制造强省五年行动计划》，项目列入了湖南省战略性新兴产业重大关键共性技术发展导向目录（2017），其中高档数控机床和机器人部分由该项目负责人编写。

当前大型复杂结构的制造约80%采用人工焊接，实现多位置焊缝的电弧自动跟踪，将解决类似箱型结构内部窄深空间机器人和普通焊接专机自动焊接难题。在此基础上研发多位置焊缝智能化焊接装备，对提高大型复杂结构的生产效率和产品质量十分重要。

关键技术包括：1）具有随机偏差的引弧点位置自动识别和自动定位技术；2）特殊结构（随机分布的筋板、隔板和空洞等障碍物）的自动识别、避让与再焊接技术；3）能动态补偿焊件加工误差和热变形的多位置焊缝智能跟踪技术；4）大型复杂结构智能焊接的工程化应用技术。

二、主要技术内容：

  本项目在4项国家自然科学基金资助下，相关成果已申请发明专利21项，其中14项发明专利已获授权。主要研究内容：1）研发了具有自主知识产权的多种传感器，设计了摆动电弧焊缝跟踪传感、涡流传感定位、激光位移传感避障和定位系统，研制的传感系统满足大型复杂结构实际焊接生产要求； 2）针对多位置焊缝跟踪问题，创造性的提出了一种基于变面积式双涡流传感器的焊缝跟踪方法，通过双传感器分别检测高低和左右的位置信息，相互补偿得到独立的偏差信号，稳定实现了焊接生产线多工位实时焊缝跟踪；3）提出了修正型果蝇算法优化GRNN的自动焊障碍预测方法，对多位置焊接区障碍物预测精确、稳定、速度快，为多位置自动焊的避障提供了新的思路；4）针对大型复杂结构自动化生产中工件偏移和偏转问题，提出了基于激光位移传感器的多位置焊缝位姿检测方法，实现了多位置焊接时焊枪初始点自动定位，有随机偏差的狭小空间短焊缝的自动跟踪，障碍物自动识别、避让与再焊接的工程应用。

三、应用及效益：

利用自行研发的电弧传感式焊缝智能跟踪相关技术开发了多种工业样机并进行了小试研究和工业化运行试验，其成果已应用于湖南、山东、广东等地，到目前为止，已累计创造效益51445多万元，企业累计实现利润10289多万元。

在其关键技术之上，有望开发出具有独立知识产权的系列智能焊接机器人及智能化焊接专机，有效解决传统焊接工艺效率低、能耗较高的问题。

四、 客观评价

1.项目验收报告: 2017 年3月 28 日通过湖南省科技厅组织的“旋转电弧智能焊缝跟踪技术的应用研究”项目的验收，验收结论：该项目解决了复杂轨迹焊缝自动跟踪控制的关键问题，实现了复杂轨迹自动跟踪焊接, 开发研制了10台工业样机，并交付企业使用，提高了焊接质量，改善了生产环境，提升了企业竞争力，通过项目验收。

2.科技查新: 2017年5月2日对该项目的核心技术之一“旋转电弧智能焊缝跟踪技术的应用研究”进行科技查新。查新结论为：国内公开的中文文献中，未见述及查新项目综合技术特点完全相同的文献报道。

3.知识产权：本项目的研究成果为国内外首创，相关技术已申请发明专利21项，其中14项发明专利已获授权。

4. 科技奖励：

（1）“焊缝自动跟踪智能焊接系统”项目，获得2011年中国科技创业大赛项目组二等奖；

（2）2015年，负责的“智远焊接团队”获湖南省创新创业大赛二等奖，并代表湖南省先进制造领域参加第四届中国创新创业大赛，获优秀团队奖。

5.国内外媒体报道及同行评价:

（1）中国焊接专业创始人潘际銮院士评价：

该项目首次把磁控电弧用于焊缝跟踪，思路非常新颖，创新程度较高，较好的解决了焊缝跟踪技术在实际应用中所面临的几个关键问题，具有较大的实用价值，可在造船、机车、集装箱等的焊接生产中应用。

（2）2015年5月7日，湖南经视的《经视观察》栏目组做了一期有关于机器人的节目，该期节目详细报道了湘潭大学洪波教授的团队研制的智能焊接机器人从实验室到工业化应用的历程。

6.应用评价

1）广东新会中集特种运输设备有限公司评价：

自2014年9月到2016.8月，湘潭大学研制的电弧自动跟踪系统已在公司的seabox多联箱后角柱、20‘折叠箱角柱、房屋箱中角柱、JB.hunt53’中角柱、中兴设备箱后角柱、房屋箱门楣等工件上广泛应用，其效果已得到公司各方面（包括集装箱客户）的广泛认可，进一步推进工作已在持续展开。

目前折叠箱大梁自动焊电弧跟踪系统已经通过了工艺工装部组织的验收，并在折叠箱大梁自动焊生产线上应用。解决了折叠箱大梁大拱度(带旁弯)焊缝的自动跟踪问题，在焊接速度1000mm/min高焊速下的焊缝跟踪效果及焊接质量满足大梁焊接工艺要求;实现了筋板、流水槽、孔洞等障碍物的自动识别和跳焊;解决了辅助上翼板的识别和跳焊问题，实现了大梁固有特殊结构的自动避让与再焊接;开发的一键式折叠箱大梁全自动焊接系统控制界面基本满足常规应用及柔性化要求;初始引弧点的识别精度较高，目前已经达到98%的精度，考虑到该电弧跟踪系统技术已经成熟，下一步将在另外一条折叠箱大梁自动焊生产线的6个工位上进行推广应用。

2）湘潭锅炉有限公司评价：

2016年8月与湘潭大学开展大型复杂结构多位置焊缝跟踪技术的研发，签订了“圆管环角焊缝自动焊接机器人”研制项目。该项目采用电弧传感器、激光传感器、CCD传感器解决上锅筒内部焊缝的自动跟踪焊接问题，研制一套装有工业摄像机的特制悬臂梁高速焊接机器人，实现圆管环焊缝的半自动焊接，满足上锅筒内部焊缝焊接的连续性，减少飞溅、控制热量，保证质量、提高成品率。上锅筒内部焊缝圆管环角焊缝自动焊接机器人主要包括：悬臂十字台车、焊接机械手臂以及操作控制系统三大部分。该方法可以大幅度提升锅筒多位置复杂焊缝的自动化焊接水平，提高焊缝质量及焊接过程的稳定性、可靠性。

3）株洲睿泽光电科技有限公司评价：

公司自2016年开始采用湘潭大学研发的多位置焊缝自动跟踪焊接装备，经过近三年时间的使用表明:该焊接设备性能优良，适用熔化极体保护电弧焊，跟踪系统在实际焊接生产中工作效果令人满意,而且稳定可靠，使用该技术后,焊接质量有很大的改善，提高了我公司焊接产品的竞争能力;提高了产品的次合格率,使焊接废品率大大降低,节约大量的原材料;而且每条生产线由原来的2人减少为1人，节省了人力资源和人工成本,降低了直接生产成本。

4）湖南九方焊接技术有限公司评价：

我公司2012年初开始采用由湘潭大学焊接研究所的"电弧式焊缝跟踪技术”,共同完成了“立向焊接电弧跟踪设备”的研制工作，该设备已应用在多家企业的生产线上,经过近一年时间的使用表明:该焊接设备性能优良, 适用熔化极气体保护电弧焊,跟踪系统在实际焊接生产中工作效果令人满意,而且稳定可靠。由于使用该技术后,焊接质量有很大的改善, 提高了我公司合作企业焊接产品的竞争能力;提高了产品的一次合格率,使焊接废品率大大降低,节约大量的原材料;而且每条生产线由原来的4人减少为1人，节省了人力资源和人工成本,降低了直接生产成本。

总之,立向焊接电弧跟踪设备能在很大程度上满足我公司多家合作企业的焊接生产现场的要求。由于采用该技术,估计每年为我公司创造经济效益近400万元,为合作企业创造间接经济效益约850多万元。

5）湖南超宇科技有限公司评价：

湖南超宇科技有限公司是一家专门从事焊接和数控切割及成套设备生产和销售的专业厂家，是湖南的高新技术企业，也是我国电焊机行业的知名企业，目前已经成为我国中部地区规模最大的电焊机专业生产厂家之一。

超宇公司认为：电弧传感器式焊缝跟踪设备跟踪精度高、性能稳定，是一套很有特色的焊接自动化设备，取代传统的手工焊接，可以提高焊接工作效率与焊接质量，有很好的市场前景。

五、推广应用情况、经济效益和社会效益

1．推广应用情况

多位置复杂焊缝智能焊接关键技术适用于氩弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊及混合气体保护焊等；适用多种坡口和接头形式：V型、搭接、U型、角焊逢和环焊缝；适用多种复杂工业现场：箱型梁架结构（桥梁、起重臂、大型建筑构架等）的角焊缝、容器类结构的带坡口对接（环缝、纵缝）、大型拼接结构（船体、平台等）的焊接。可广泛应用于机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工、建筑等具有狭窄空间复杂轨迹焊缝的自动跟踪焊接。

2012年起，该技术陆续在湖南九方焊接技术有限公司、深圳中集专用车有限公司、湖南超宇科技有限公司等企业试用，并根据企业提出的改进建议和意见，对电弧传感器智能焊缝跟踪技术进行了完善；自2014年开始与湘潭锅炉有限公司、广东新会中集集装箱有限公司和天桥起重股份有限公司等企业合作，对复杂结构焊接初始点自动定位、狭小空间焊缝自动跟踪、障碍物自动识别和避让等关键技术展开研究，完成了多位置焊缝自动化焊接专机的研制工作；生产的摆动电弧传感器式智能焊接装置送到株洲睿泽光电科技有限公司的立柱多位置熔化极气体保护电弧焊上的应用，研制的焊接生产线在广东新会中集特种运输设备有限公司的后角柱、中角柱和折叠箱大梁多位置焊缝的智能化焊接专机上应用。

主要应用单位情况

六、 主要知识产权目录

七、主要完成人情况